二、疏散模擬

　　當(dāng)前世界上開(kāi)發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有文獻(xiàn)記載的疏散軟件有22個(gè)，其他未公開(kāi)的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時(shí)一定要結(jié)合有待解決的實(shí)際問(wèn)題與模型的適用性來(lái)進(jìn)行選擇。

　　(一)概述

　　建筑防火設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一是確保人身安全。建筑安全疏散的性能化設(shè)計(jì)，是要求所設(shè)計(jì)的疏散設(shè)施能夠保證建筑中的全部人員有足夠的時(shí)間安全疏散到安全的地方。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括建筑的安全出口、疏散樓梯的寬度、疏散距離是否滿(mǎn)足建筑內(nèi)使用人員的疏散需要，人員的疏散所需時(shí)間是否大于火災(zāi)條件下的可用疏散時(shí)間。

　　安全疏散時(shí)間判據(jù)，主要按照火災(zāi)發(fā)展與人員疏散時(shí)間為同時(shí)沿一條不可逆的時(shí)間線(xiàn)進(jìn)行，保證建筑物內(nèi)人員安全疏散完畢所需時(shí)間必須小于火災(zāi)發(fā)展到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間。

　　火災(zāi)中人的疏散過(guò)程是在人的意識(shí)干預(yù)下，感知、認(rèn)知火災(zāi)和環(huán)境信息與行為決策以及執(zhí)行決策的過(guò)程，是一種在時(shí)間壓力下的人體位移。由于人的行為受到年齡、身高、體重、敏捷度、習(xí)性、行動(dòng)能力等心理與生理狀態(tài)和文化背景與受教育程度的影響，十分復(fù)雜，同時(shí)人員在建筑內(nèi)的實(shí)際狀況以及建筑空間特性，如人員的分布情形、熟悉環(huán)境的程度、人數(shù)及其組成和樓梯或出口的寬度、照明、走道寬度、數(shù)量、建筑高度等都對(duì)人員疏散結(jié)束所需時(shí)間和可用于人員疏散的時(shí)間有很大影響。

　　人員疏散時(shí)間為火災(zāi)探測(cè)報(bào)警時(shí)間、人員預(yù)動(dòng)時(shí)間與人員疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間之和。在計(jì)算疏散運(yùn)動(dòng)時(shí)間時(shí)，通常采用1.5～2的安全系數(shù)來(lái)考慮設(shè)計(jì)計(jì)算中的不確定性因素。

　　在人員安全疏散的研究方面，由于對(duì)所采取的措施是否能達(dá)到性能化設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)如何對(duì)保證人員生命安全的目標(biāo)進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)都缺乏科學(xué)依據(jù)，所以全世界在這方面的研究都處于起步階段。人員疏散軟件方面，有關(guān)研究人員在不斷加大這方面軟件的研究開(kāi)發(fā)力度。國(guó)外從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始就展開(kāi)了人員疏散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及疏散模擬軟件方面的研究，并把疏散研究的成果及時(shí)的應(yīng)用到了建筑性能化設(shè)計(jì)中，我國(guó)也于近年來(lái)展開(kāi)了這方面的研究。

　　(二)疏散模型分類(lèi)

　　人員疏散計(jì)算方法主要有兩種：水力模型和人員行為模型。

　　1.水力疏散模型

　　最常用的方法是水力疏散模型，它通過(guò)將人在疏散通道內(nèi)的走動(dòng)模擬為水在管道內(nèi)的流動(dòng)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。這一方法的缺點(diǎn)是它完全忽略掉了人的個(gè)體特性，而將人群的疏散作為一種整體運(yùn)動(dòng)。水力疏散模型通常對(duì)人員疏散過(guò)程作如下保守假設(shè)：

　　1)疏散人員具有相同的特征，并且都具有足夠的身體條件疏散到安全地點(diǎn);

　　2)疏散人員是清醒的，在疏散開(kāi)始的時(shí)刻一起井然有序地進(jìn)行疏散，且人員在疏散過(guò)程中不會(huì)中途返回選擇其它疏散路徑;

　　3)在疏散過(guò)程中，人流的流量與疏散通道的寬度成正比分配，即從某一出口疏散的人數(shù)按其寬度占出口總寬度的比例進(jìn)行分配;

　　4)人員從各個(gè)疏散門(mén)扇疏散且所有人的疏散速度一致，保持不變。

　　2.人員行為模型

　　人員行為模型模擬人在火災(zāi)中的行為，綜合考慮了人與人、人與建筑物以及人與環(huán)境之間的相互作用。這類(lèi)模型能夠從一定程度上反映火災(zāi)時(shí)個(gè)人的特性對(duì)人員疏散的影響，但由于“火災(zāi)中人的反應(yīng)與行為”仍舊是一個(gè)較新的領(lǐng)域，對(duì)其定性研究較多，而定量的研究成果很少，因此在選用該類(lèi)模型時(shí)要慎重考慮它的適用性，以經(jīng)過(guò)實(shí)際疏散實(shí)驗(yàn)或演習(xí)驗(yàn)證的模型為首選。

　　當(dāng)前世界上開(kāi)發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有文獻(xiàn)記載的疏散軟件有22個(gè)，其他未公開(kāi)的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時(shí)一定要結(jié)合有待解決的實(shí)際問(wèn)題與模型的適用性來(lái)進(jìn)行選擇。下面將通過(guò)分析這些人員疏散模型的功能與特點(diǎn)，對(duì)這些軟件進(jìn)行適當(dāng)分類(lèi)。

　　1)一般分類(lèi)

　　疏散模型在處理疏散的一般問(wèn)題時(shí)，均采用了三種不同基本方法：優(yōu)化法、模擬法和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法。

　　優(yōu)化法假定人員以最有效的方式進(jìn)行疏散，而不考慮外部環(huán)境的影響及非疏散行為。通常，模型認(rèn)為人員選擇的疏散路線(xiàn)是最佳的。這一類(lèi)模型適用于大量的人群或?qū)⑺�有人員當(dāng)作一個(gè)有共同特性的群體來(lái)考慮的情況，而不考慮個(gè)體行為。

　　模擬法試圖表現(xiàn)實(shí)際的疏散行為與運(yùn)動(dòng)，不僅要得到準(zhǔn)確的結(jié)果，而且要反映疏散時(shí)選擇的疏散路線(xiàn)及人員所做的決定。由于各個(gè)模型在考慮人員行為時(shí)的詳細(xì)程度不同，因此結(jié)果的準(zhǔn)確度也不相同。

　　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型能識(shí)別出火災(zāi)時(shí)與疏散有關(guān)的危險(xiǎn)或相關(guān)事故，并能對(duì)最后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化。通過(guò)多次重復(fù)運(yùn)算，可以估算出與不同防煙分區(qū)設(shè)計(jì)或防火保護(hù)措施有關(guān)的各種重要變量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。有關(guān)模型的類(lèi)別與名稱(chēng)如表4-3-4-1所示。

　　表4-3-4-1 模型一般分類(lèi)

　　2)建筑空間的表示

　　各種疏散模型都必須對(duì)建筑空間進(jìn)行描述，以模擬人員在建筑內(nèi)部的疏散過(guò)程。在模型中，空間被劃分為許多小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都與相鄰的區(qū)域相連。根據(jù)對(duì)空間劃分的精細(xì)程度，常將模型中的空間劃分分為兩種方法：精細(xì)網(wǎng)絡(luò)法和粗糙網(wǎng)絡(luò)法。

　　對(duì)于精細(xì)網(wǎng)絡(luò)法，整個(gè)封閉空間用覆蓋一些瓦片狀的網(wǎng)格來(lái)表示，各個(gè)模型中節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格大小與形狀都不同。例如，Exodus采用0.5m×0.5m的正方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，Simulex則采用0.2m×0.2m的正方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，而Egress則采用六邊形的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)格的大小足以容納一個(gè)人。這些網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的連接也不相同，在Exodus中每個(gè)網(wǎng)格與相鄰的八個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相連，而Egress中每個(gè)網(wǎng)格與相鄰的六個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相連。因此，Egress的方法可以準(zhǔn)確地表示封閉空間的幾何形狀及內(nèi)部障礙物的位置，并在疏散的任意時(shí)刻都能將每個(gè)人置于準(zhǔn)確的位置。

　　對(duì)于粗糙網(wǎng)絡(luò)法，空間的描述是按照實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的劃分來(lái)確定，每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)房間或走廊，然后根據(jù)它們之間的實(shí)際連接關(guān)系構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)模型。在這類(lèi)模型中，僅能表示人員從一個(gè)建筑單元移動(dòng)到另一個(gè)建筑單元，而無(wú)法描述人員在一個(gè)建筑單元內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，它也無(wú)法處理一些局部的現(xiàn)象，例如超越前方人員、避開(kāi)障礙物等。有關(guān)不同空間劃分的模型分類(lèi)如表4-3-4-2所示。

　　表4-3-4-2 疏散模型按空間分類(lèi)

　　3)人群分析

　　各類(lèi)疏散模型在對(duì)人員進(jìn)行分析時(shí)，采用了兩種方法：個(gè)體分析法和群體分析法。

　　個(gè)體分析法允許用戶(hù)設(shè)定或由隨機(jī)方式確定個(gè)體特性，人員決策與運(yùn)動(dòng)由這些個(gè)體特性決定。需要注意的是，不能將個(gè)體的獨(dú)立決定與不能執(zhí)行群體行為混為一談，定義個(gè)體時(shí)并不排斥他具有群體行為，而是先考慮每個(gè)人的個(gè)體特性，然后再為他指定一個(gè)行為，而這個(gè)行為也許就是群體行為。

　　群體分析法將人群視為一個(gè)具有共同特性的群體。在描述疏散過(guò)程時(shí)，不針對(duì)逃生的個(gè)體，而針對(duì)大量的人群。這種方法難以模擬事件對(duì)個(gè)體的影響(例如：火災(zāi)煙氣毒性的影響)，而只能對(duì)整個(gè)人群的普遍影響進(jìn)行模擬。例如，它不能表示老年人或殘疾人等特殊人群的生存率，而只能表示受影響的人的比例。它的好處是模型的運(yùn)算速度相對(duì)較快。有關(guān)基于人群分析的模型分類(lèi)如表4-3-4-3所示。

　　表4-3-4-3 疏散模型按人群分類(lèi)

　　4)行為分析

　　人員在逃生時(shí)的決策過(guò)程是復(fù)雜的，疏散模型根據(jù)模擬人員決策過(guò)程時(shí)所采用的分析方法，分為以下幾類(lèi)：無(wú)行為準(zhǔn)則模型、函數(shù)模擬行為模型、復(fù)雜行為模型、基于行為準(zhǔn)則的模型以及基于人工智能的模型。

　　無(wú)行為準(zhǔn)則模型完全依賴(lài)于人群的物理運(yùn)動(dòng)和幾何形狀的物理表達(dá)，來(lái)影響人員的疏散，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)判斷。

　　函數(shù)模擬行為模型把人員的行為用一個(gè)方程或一個(gè)方程組來(lái)描述，以此達(dá)到控制人的響應(yīng)的目的。這類(lèi)模型可以將人定義為個(gè)體，但由于所有個(gè)體均受到同一函數(shù)相同的影響，且會(huì)以一定的方式對(duì)這種影響產(chǎn)生反作用，因此實(shí)際上削弱了個(gè)體行為。該函數(shù)或者按照現(xiàn)實(shí)生活中人員的行為來(lái)建立，或者引用其它從事人體行為模擬研究領(lǐng)域的成果(例如，磁模型的方程來(lái)源于物理學(xué))。

　　復(fù)雜行為模型通過(guò)復(fù)雜的物理方法來(lái)含蓄表示行為決策準(zhǔn)則。此類(lèi)模型一般基于第二手?jǐn)?shù)據(jù)的應(yīng)用，包括心理的或社會(huì)的影響，因而它依賴(lài)于第二手?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性。

　　基于行為準(zhǔn)則的模型預(yù)先規(guī)定了一套人員的行為準(zhǔn)則，然后再根據(jù)這些準(zhǔn)則來(lái)確定疏散過(guò)程中人員的行為。例如“假如人在一個(gè)充滿(mǎn)煙氣的房間里，他會(huì)通過(guò)最近的出口離開(kāi)”等類(lèi)似準(zhǔn)則。但是，這種行為決策方式會(huì)導(dǎo)致人員在相同的環(huán)境下以某種確定的方式進(jìn)行反應(yīng)，從而與實(shí)際中的人員反應(yīng)有所差異。

　　人工智能模型將個(gè)體人員設(shè)計(jì)成能對(duì)周?chē)�環(huán)境進(jìn)行智能分析的模擬人或與之相近的智能人，因此可以準(zhǔn)確地表現(xiàn)其決策過(guò)程，但這會(huì)使用戶(hù)對(duì)人員行為的控制權(quán)被計(jì)算機(jī)所代替。

　　表4-3-4-4 疏散模型按人員行為分類(lèi)

　　3.人員行為特性

　　火災(zāi)是具有突發(fā)性的意外事件，伴有火焰、濃煙、強(qiáng)烈的熱輻射、噪音和有毒氣體，常在短時(shí)間內(nèi)給人以毀滅性的傷害。身處火場(chǎng)的人們往往需要承受巨大的心理壓力，從而表現(xiàn)出各種各樣的異常行為。研究發(fā)現(xiàn)，不同的心理素質(zhì)、閱歷和經(jīng)驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致人在遭遇火災(zāi)時(shí)，呈現(xiàn)不同的心理反應(yīng)和行為。但是，如果在遭遇火災(zāi)時(shí)，能保持良好的心理狀態(tài)，及時(shí)采取自救行動(dòng)，往往能夠化險(xiǎn)為夷，成功疏散，避免死傷亡。

　　對(duì)于人員特性的考慮可以分為兩方面，一是單個(gè)人員獨(dú)立考慮;一是全局考慮。大多數(shù)模型可以根據(jù)用戶(hù)要求或計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)定每個(gè)人員的移動(dòng)屬性如步行速度，并記錄每個(gè)人員在任何時(shí)刻的移動(dòng)歷史軌跡。這類(lèi)模型也不排除群集行為特性，但它是按單個(gè)人員檢查和分配各自的移動(dòng)特性的，它需要較多的計(jì)算機(jī)容量，程序處理的難度也稍大。另一類(lèi)是按群集方式來(lái)考慮人員的移動(dòng)特性，它將一群或一組人群按同一特性考慮，即將一群人按同一移動(dòng)速度考慮，認(rèn)為他們同時(shí)到達(dá)或離開(kāi)建筑物的某個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，它具體計(jì)算建筑內(nèi)人員疏散成功率，其操作簡(jiǎn)單，使用方便，運(yùn)行速度也較快。

　　4.軟件介紹

　　(1)STEPS。該模型由英國(guó)模特·麥克唐納開(kāi)發(fā)，目的是模擬在正�；蚓o急情況下，人員在不同類(lèi)型建筑物中的疏散情況。

　　模型是一個(gè)由一系列的網(wǎng)格單元組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在網(wǎng)格系統(tǒng)中，一個(gè)人只能占有一個(gè)單元。網(wǎng)格單元的缺省尺寸是0.5m×0.5m。另一個(gè)細(xì)網(wǎng)格選型可適用于多人占有一個(gè)網(wǎng)格單元，但仍處于測(cè)試階段。

　　(2)Simulex。該模型是由英國(guó)的湯普森開(kāi)發(fā)，是一個(gè)能夠模擬人群從復(fù)雜建筑物中疏散的模型。模型采用一個(gè)連續(xù)的空間體系，各層的平面圖和樓梯都劃分成一個(gè)個(gè)0.2m×0.2m的塊或網(wǎng)格。該模型包含一個(gè)算法，它能夠計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格到最近安全出口的距離，并將這些信息標(biāo)注在一個(gè)距離圖表上。

　　(3)SGEM。該空間網(wǎng)格疏散模型，由香港城市大型和武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)，其目的是利用CAD平面圖，生成復(fù)雜建筑的疏散圖案，比較得出最佳疏散設(shè)計(jì)路線(xiàn)。這個(gè)模型已經(jīng)被用于一些咨詢(xún)項(xiàng)目。

　　模型的結(jié)構(gòu)基本上是細(xì)網(wǎng)絡(luò)模型。最初，此模型將建筑物分成一些節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)代表建筑物的空間或區(qū)域(不受保護(hù)、部分保護(hù)和全部保護(hù))，其中區(qū)域之間至少有一個(gè)弧形開(kāi)口連接，由此形成一個(gè)粗的網(wǎng)絡(luò)。然后，在每個(gè)粗的網(wǎng)絡(luò)單元再分成有限的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的大小是0.4m×0.4m，一個(gè)人占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格。此外，同一時(shí)間內(nèi)一個(gè)人只能占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格單元。

　　(4)buildingEXODUS。該模型由英國(guó)格林尼治大學(xué)開(kāi)發(fā)，其目的是為了模擬疏散大量被很多障礙圍困的人。模型由airEXODUS、buildingEXODUS、maritimeEXODUS、railEXODUS、vrEXODUS六個(gè) 部分組成。buildingEXODUS試圖考慮“人與人，人與火災(zāi)以及人與建筑物之間的相互作用�！蹦Ｐ桶�括6個(gè)在模擬疏散方面相互聯(lián)系相互傳遞信息的子模型，他們是人員、運(yùn)動(dòng)、行為、毒性、危險(xiǎn)性和幾何學(xué)子模型。

　　模型是一種行為模式模型，一個(gè)細(xì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其利用二維空間網(wǎng)格繪制出幾何結(jié)構(gòu)，位置，障礙物等。這種網(wǎng)格由“節(jié)點(diǎn)”和“弧”組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都代表了建筑平面圖上的小空間，而弧在建筑平面圖上把這些節(jié)點(diǎn)連接在一起。人通過(guò)利用這些弧從建筑物的一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些信息存儲(chǔ)在幾何子模型中。同時(shí)，在整個(gè)模擬過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有毒氣等級(jí)，煙氣溫度和濃度等與其相關(guān)的動(dòng)態(tài)環(huán)境。

　　5.軟件選取

　　疏散軟件能夠人為設(shè)置出口障礙，通過(guò)對(duì)建筑平面信息的識(shí)別，可以在某些安全出口受阻的情況下創(chuàng)建另一個(gè)替代的有效距離地圖來(lái)引導(dǎo)人員疏散，從而得出建筑物的最優(yōu)化疏散設(shè)計(jì)方案。

　　人員的行為特性具有不確定性，無(wú)論是采用函數(shù)型行為模式，還是采用規(guī)則決定方法，都無(wú)法絕對(duì)準(zhǔn)確模擬出火災(zāi)時(shí)人員疏散的真實(shí)情況，在今后的軟件后續(xù)開(kāi)發(fā)中可以增加更多的實(shí)際因素參數(shù)，以修正模擬是疏散結(jié)果。

　　疏散軟件基本可以定義個(gè)體人員的基本行為特性，模擬出一定的心理反應(yīng)，能夠有條件地尋找出自己有效疏散路徑。國(guó)際上人員疏散軟件的開(kāi)發(fā)已經(jīng)有一定的積累，并且經(jīng)過(guò)了相當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)踐檢驗(yàn)，但畢竟國(guó)外的人員疏散行為、習(xí)慣，心理反應(yīng)等與我國(guó)居民有很大不同，一些軟件還不能簡(jiǎn)單的直接拿來(lái)應(yīng)用。需結(jié)合我國(guó)的建筑特點(diǎn)和疏散演習(xí)等進(jìn)行校正和應(yīng)用。

　　一般，當(dāng)建筑的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局規(guī)則、疏散路徑容易辨別、建筑的功能較為單一且人員密度較大的場(chǎng)所，適合采用水力模型來(lái)進(jìn)行人員疏散的計(jì)算，而其他情況則適于采用人員行為模型。原因是：前一種情況下發(fā)生火災(zāi)，人員可以較為快速準(zhǔn)確地獲取關(guān)鍵信息并采取疏散行動(dòng)，人員疏散通常很快由個(gè)體行為轉(zhuǎn)化為群體行為，符合水力模型的適用條件。而其他情況下，人員獲取信息的渠道相對(duì)較少，從接到報(bào)警信號(hào)到識(shí)別火災(zāi)以及疏散過(guò)程中尋找合適的疏散路徑都在很大程度上依賴(lài)于個(gè)體的判斷。因此，人員疏散由個(gè)體行為轉(zhuǎn)化為群體行為的時(shí)間非常長(zhǎng)，有時(shí)候可能自始至終都是個(gè)體行為，這種情況下選用人員行為模型顯然更為合適。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計(jì)算和建筑疏散演習(xí)等方式，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性。